Optimizing advanced 8 bit PIC micro ADC sampling rate (talk, spanish)

Estimación de la Tasa Óptima de Muestreo de la Conversión Analógica a Digital para Microcontroladores Avanzados de 8 Bits

Francisco J. Zamora N. Ing. Electrónico, Esp. Ciencias de la Información, Profesor Asistente, Facultad de Ingeniería [email protected]

Adriana Valiente C. Ing. Telecomunicaciones, Facultad Tecnológica [email protected]

Bogotá, D.C., Colombia X Congreso Internacional de Electrónica, Control y Telecomunicaciones

U. Distrital FJC, Noviembre 2014

Preguntas a resolver hoy: • Cómo funciona el módulo ADC de una MCU PIC avanzada de 8 bits? • Cuáles características del ADC determinan su velocidad? • Cómo establecer un compromiso (tradeoff) adecuado entre precisión y velocidad? • Cuáles son las tasas de muestreo que realmente se esperaría obtener en los PIC micro y cómo alcanzarlas? Fuente Imagen: www.engineersgarage.com X Congreso Internacional de Electrónica, Control y Telecomunicaciones


Avances en Microcontroladores • En arquitectura, evolución desde CPU de 8 hacia 16 y 32 bits (ARM y MIPS) • En encapsulados y escala de integración: PDIP, SPDIP, montaje superficial (SOIC, QFN y otros). • En consumo de potencia: 5V, 3.3 V, 2.2V, 1.8 V. • En Velocidad: 2MHz  más de 200 MHz. • En configuración: Entradas /salidas Digitales, analógicas, táctiles capacitivas; comunicaciones seriales, paralelas, USB, SPI, I2C, CAN, LIN, I2S, OneWire • En aplicaciones: PWM, ADC, DAC. X Congreso Internacional de Electrónica, Control y Telecomunicaciones


Módulo ADC en MCU Registro de aproximaciones sucesivas (SAR)

Fuente: Nota de aplicación de ST Microelectronics CD00004444.pdf . X Congreso Internacional de Electrónica, Control y Telecomunicaciones


Desempeño sin muestreo – retención (S/H) Frecuencia de señal limitada por error ½ LSB…

Siendo

y entonces:

Fuente: www.spectrum-soft.com X Congreso Internacional de Electrónica, Control y Telecomunicaciones


Preguntas a resolver hoy: • Cómo funciona el módulo ADC de una MCU PIC avanzada de 8 bits? • Cuáles características del ADC determinan su velocidad? • Cómo establecer un compromiso (tradeoff) adecuado entre precisión y velocidad? • Cuáles son las tasas de muestreo que realmente se esperaría obtener en los PIC micro y cómo alcanzarlas? Fuente Imagen: www.fotolia.com X Congreso Internacional de Electrónica, Control y Telecomunicaciones


Modelo y parámetros de S/H

Fuente: Manual Técnico PIC18Fx5K5x Microchip DS30000684B, pg. 299 X Congreso Internacional de Electrónica, Control y Telecomunicaciones


Tiempo de muestreo según condensador de retención El Tiempo de carga del condensador de retención , se obtiene de igualar el voltaje deseado , con un error de voltaje máximo equivalente a ½ LSB, con la respuesta de carga de una red RC al voltaje aplicado :

∙ 1−

=

X Congreso Internacional de Electrónica, Control y Telecomunicaciones

∙ (1 −

∙

)


Tiempo de adquisición: carga, estabilización, temperatura La expresión para estimar el tiempo de adquisición se sintetiza como

= −

+

+

∙

+

+

−

Donde es la resistencia interna equivalente de fuente de voltaje de señal de entrada. es la resistencia del conmutador de muestreo del S/H es el valor máximo de la resistencia de interconexión interna del pin es el valor de la capacitancia de retención del S/H es el número mínimo de bits efectivos útiles en el resultado (máximo 10). es el tiempo de estabilización del amplificador S/H (settling time). es el coeficiente de retraso por temperatura ( ⁄℃). es la temperatura ambiente en ℃. es la temperatura de operación de la MCU en ℃. X Congreso Internacional de Electrónica, Control y Telecomunicaciones


Preguntas a resolver hoy: • Cómo funciona el módulo ADC de una MCU PIC avanzada de 8 bits? • Cuáles características del ADC determinan su velocidad? • Cómo establecer un compromiso (tradeoff) adecuado entre precisión y velocidad? • Cuáles son las tasas de muestreo que realmente se esperaría obtener en los PIC micro y cómo alcanzarlas? Fuente Imagen: ADC architectures, applications, resolution, and sampling rates @ www.analog.com X Congreso Internacional de Electrónica, Control y Telecomunicaciones


Compromiso entre velocidad y precisión de la conversión El tiempo de conversión =

+

∙

se puede estimar como:

+

+1−

∙ (2 ∙

)

El período de muestreo S será igual a: =



Parámetros de Muestreo

Tabla 1. Parámetros del susbsistema de adquisición analógico S/H para algunas MCU de 8 bits de Microchip Fuente: Elaboración propia. PIC MCU 16F877A

Precio unidad (pF) (USD$) 4.94 120

(@Vdd= 3V, Ω) 11

(max. Ω) 1

(pF) (max. ( ) ℃ Ω) 5 2.5 0.05

) (nA)

( 2

∓500

18F4550

4.47

25

4

1

5

2.5

0.02

0.2

∓100

18F45K50

2.93

13.5

0.7

1

5

10

0.05

5

∓50



Parámetros de Conversor A/D

Tabla 2. Parámetros mínimos del susbsistema de conversión A/D para algunas MCU de 8 bits de Microchip PIC MCU

)

Fosc ( )

Int. RC ( )

16F877A

1.6

2.0

12

-

-

-

17-15

18F4550

0.7

1.0

11

1.4

1

0.2 μ

28-29

18F45K50

1

1.7

12

1.4

1

2∙

29-33

(∙

)

(

(∙


No. (en manual)

)


Preguntas a resolver hoy: • Cómo funciona el módulo ADC de una MCU PIC avanzada de 8 bits? • Cuáles características del ADC determinan su velocidad? • Cómo establecer un compromiso (tradeoff) adecuado entre precisión y velocidad? • Cuáles son las tasas de muestreo que realmente se esperaría obtener en los PIC micro y cómo alcanzarlas? Fuente Imagen: New standalone Microchip ADC

@ www.microchip.com



Resultados de investigación Herramienta en hoja electrónica:



Algoritmo general de la conversión A/D optimizada 1. Configurar referencias, canales, , (auto) 2. Esperar carga capacitancias parásitas (< 1 ) y seleccionar canal de entrada (opcional). 3. Según requerido, esperar si es manual y/o iniciar la conversión con ADGO. 4. Ajustar a luego de ∙ (opcional). 5. Fin de conversión: ADIF y ADGO se activan luego de . Interrupción (opcional). Recuperar resultado ADRESH/L durante . 6. Búfer lleno? No: Ir a (2) para otro canal o a (3) para el mismo. Si: procesar búfer, ir a (2) o (3). X Congreso Internacional de Electrónica, Control y Telecomunicaciones


Tasa de muestreo, configuración por defecto (RC int.) Tabla 3. Resultados de asumir parámetros por defecto en la tasa de muestreo para las MCU PIC de referencia Fuente: Elaboración propia

PIC MCU

16F877A 18F4550 18F45K50

RC ( )

RC (

)

RC (ksps)

16 8 13.6

24 12 6.25

25 50 29.41


RC 1 LSB (ksps) 36.70 78.74 37.52


Tasa de muestreo óptima (oscilador derivado de 4MHz) Tabla 4. Resultados diseño óptimo de tasa de muestreo para las MCU PIC de referencia (4MHz) PIC MCU

16F877A 18F4550 18F45K50

(4MHz) (4MHz) (4MHz) ( ) (ksps) ( ) 11 2 7

19.5 10.5 10.5

32.79 80 57.14


(4MHz) 1 LSB (ksps) 42.55 86.96 57.14


Tasa de muestreo óptima (oscilador derivado de 12MHz)

Tabla 5. Resultados diseño óptimo de tasa de muestreo para las MCU PIC de referencia (12MHz) PIC MCU

16F877A 18F4550 18F45K50

(12MHz) (12MHz) (12MHz) ( ) (ksps) ( ) 10.33 1 6.7

24.5 12.5 12.5

28.91 74.07 52.08


(12MHz) 1 LSB (ksps) 35.97 75.93 53.11


Comparación tasas de muestreo (Vs varía en escala completa)

Figura 4. Tasas de muestreo S para tres tipos de osciladores admitiendo cambios de escala completa en X Congreso Internacional de Electrónica, Control y Telecomunicaciones


Comparación de tasas de muestreo (Vs cambia menos de 1 LSB)

Figura 5. Tasas de muestreo S para tres tipos de osciladores admitiendo cambios de máximo 1 LSB en X Congreso Internacional de Electrónica, Control y Telecomunicaciones


Resultados y Conclusiones • Configuración por defecto de ADC permite muestrear señales entre 1.5 y 4.8 KHz (oversampling 16 muestras por período). • Tasa de muestreo óptima es necesaria para señales de audio o incluso derivadas de red de potencia (análisis de THD y fase). • Aumentar la frecuencia de CPU no necesariamente mejora tasa de muestreo si no se minimizan y según . • La tasa óptima de adquisición no garantiza el procesamiento digital de señal adecuado. (Transferencia USB a PC o DSP). • Optimización permite mejorar tasa de muestreo entre 10% y 90% según tipo MCU, parámetros de señal y ADC. • Parámetros de S/H en generaciones de MCU PIC16F87X (2002), 18Fx55x (2006) y 18Fx5K50 (2012) sugieren futura comprobación en laboratorio (Pxq notoria desmejoría K50?). X Congreso Internacional de Electrónica, Control y Telecomunicaciones


Referencias (1) Demrow, R., Settling time of operational amplifiers, Analog Dialogue 4-1, AN539, Analog Devices, enero, 1970. Kester, W., Taking the Mystery out of the Infamous Formula, "SNR = 6.02N + 1.76dB," and Why You Should Care, MT-001 Tutorial, Analog Devices, Rev. A, Octubre, 2008. Kuhlmann, V., Sinton, A., Dewer, M., Arnold, C., Effects of sampling rate and ADC witdth on the accuracy of amplitude and phase measurements in PowerQuality monitoring, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 22, No. 2, abril 2007, pp. 758-764. Mitra, S., D’Souza, S.,Cooper, R., Using the analog to digital (A/D) converter, DS00546E, AN546, Microchip Technology, Rev. E, 1997. PIC 16F87XA Data Sheet, DS39582B, Microchip Technology, Rev. B, Octubre, 2003. PICmicro 18C MCU Family Reference Manual, DS39537A, Microchip Technology, Rev. A, 2000. X Congreso Internacional de Electrónica, Control y Telecomunicaciones


Referencias (2) PIC18F2455/2550/4455/4550 Data Sheet, DS39632C, Microchip Technology, Rev. C, Febrero 2006. PIC18(L)F2X/45K50 Data Sheet, DS30000684B, Microchip Technology, Rev. B, Julio 2014. Shannon, C. E., Communication in presence of noise, Proceedings of IRE, vol. 37, No. 1, enero, 1949, pp. 10-21. Understanding and minimizing ADC conversion errors, AN1636, CD0000444, STMicroelectronics, Junio, 2003. Zamora, F., Herramienta para estimar la máxima tasa de muestreo de un conversor ADC en microcontroladores avanzados de 8 bits, accedido en Noviembre 2014 desde http://comunidad.udistrital.edu.co/fzamora/ Zhu, T., Kong, X., Negulescu, R., Asynchronous ADC/Microprocessor Interface, Poster session 3, low power and high performance approaches, IEEE, 2004.



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